发光二级管光强计

图中光学照片显示的是在压电光电子效应的作用下，紫外发光二极管的发光强度随施加的应变的增加而增加。下图显示的利用能带理论解释压电光电子效应对p-n结处能带结构和载流子输运过程的调制和改变。(图片提供：王中林)　　紫外半导体发光二极管在化学、生物、医学和军事领域具有广泛的应用，目前这种材料的内量子效率虽然可达到80%，但外量子效率只有3%左右。如今，基于压电光电子学效应，美国佐治亚理工学院讲席教授王中林课题组发明了一种新型高效紫外半导体发光二极管，在合适应用作用下外量子效率可达到7.82%，其光发射强度、注入电流能力和电—光转换效率均成倍提高。新成果发表在8月在线出版的《纳米快报》上。　　王中林表示，新成果还可以扩展到从紫外到红外的整个光谱范围内的由压电材料制备的半导体发光二极管，它们将在发光二极管、光电池和太阳能电流、人机界面、纳米机器人、微—纳机电系统、人机交互等领域得到广泛应用。　　压电光电子学是压电效应、光子特性和半导体特性三相耦合的一种效应，它通过应变引起的压电势来调节和控制电光过程，或者反过来利用电光过程调节和控制力的作用。该效应由王中林于2009年首次发现。　　王中林小组进一步把光引进压电电子学器件，致力于开发和研究力、电和光三相耦合器件。他们发现压电效应可优化光电池，提高光探测器的灵敏度。而最近的研究表明压电效应还可以显著提高氧化锌微纳米线发光二极管的电子—空穴复合效率，从而显著提高发光性能。这些力、电、光三相耦合的研究构成了一个全新的研究领域：压电光电子学(piezo-phototronics)领域。据王中林介绍，力、电、光三相中的两相耦合比如光电、力电和光力耦合效应已经获得了人们的广泛关注和大量研究，很多基于这些耦合效应的新型纳米器件被研制出来。这是一个远比两相耦合复杂的耦合系统，因此有更多有趣的具有重大研究价值的效应需要人们去探索，更多的器件等待人们去开发。　　研究人员将压电光电子学效应应用于紫外半导体发光二极管性能的改造中。半导体发光二极管的光发射由载流子的注入、复合和出射效率等决定。薄膜型宽禁带半导体制备的紫外发光器件，其内量子效应虽然可达到80%，但外量子效率只有3%左右。王中林表示，这主要是由于全反射限制的光出射效率比较低引起的。他和浙江大学的访问学者杨青博士经过精心设计，在N型氧化锌纳米线衬底单根微纳米线发光二极管中引入压电势，发现由压电势引起的界面处的能带改变会形成载流子沟道，从而将载流子捕获在界面附近，提高载流子的浓度和复合效率，进而提高器件外量子效率。他们制备的未加外应力的发光二极管的外量子效率达到1.84%。在固定电压下，对器件施加0.093%的压应力，可以使光发射强度和注入电流分别提高17倍和4倍，相应的电—光转换效率提高4.25倍。合适应力作用下外量子效率达到7.82%，和纳米线增强的复合量子阱LED效率相当，远远超过已报道的简单p-n结纳米线半导体光发射二极管外量子效率。　　王中林表示：“我们所发明的这些氧化锌纳米器件可整合成一个自主发电、自动控制的智能纳米系统 完全基于氧化锌纳米线，我们能创建具有记忆、处理和感应能力的复杂系统，系统所需要的电能均取自外部环境。希望有一天，人类能将纳米尺度的发电机、传感器、光电子器件和逻辑运算器件有机地集成起来，实现自驱动和自主决策的智能纳米系统。”

近日，浙江大学光电学院狄大卫教授课题组先后在Nature Communications及Nature Photonics发表其课题组的最新研究文章。《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文创纪录地发现可以以LED能带宽度的36-60%超低压下观察到发光。《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》实现了超高稳定性、高效率（22.8%）的近红外钙钛矿发光二极管(钙钛矿LED)。 ‍研究背景LED的发展对照明、显示和信息产业有着深远的影响。新兴的LED技术的研究倍受关注。LED发光的关键机制为电致发光（EL），即在外部电压下注入的电子和空穴的辐射复合。有文献报道III-V 族半导体的 LED 的工作电压低至标称带隙的 77%，这是由于新型量子阱设计增强的辐射复合。对于OLED，其最小工作电压约0.5Eg/q，使用TTA工艺来解释这种低工作电压仍有争议，即电致发光的最低驱动电压到底是多少，以及它们是否基于同一个机理。 研究方法 在这项工作中测试了17种不同类型的LED，首先选择钙钛矿LED，制备了以近红外发光的碘基材料FPI、NFPI以及绿色发光的溴基材料PCPB的钙钛矿LED，这三种LED的最低驱动电压分别是1.3V、1.3V及1.9V，LED中光子的最高能量分别为1.55eV、1.56eV及2.4eV。这表明三种材料的LED均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下发光。接下来选择几种不同的OLED、QLED以及商业III–V族半导体LED，得到的结论与之前的相似。 ‍ 图 1 不同种LED的电致发光强度-电压的关系。 （a. 近红外发射FAPBI3(FPI)钙钛矿LED；b.近红外发射NFPI钙钛矿LED；c.绿光PCPB钙钛矿LED；d.基于Ir(ppy)3的磷光OLED；e.基于4CzlPN的TADF OLED；f.基于F8BT的聚合物OLED；g.基于红荧烯的荧光小分子OLED；h.基于CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED；i.基于 GaAsP 的商用 III-V 无机 LED 。） 研究还发现几种钙钛矿LED驱动电压的数值从带隙上方调整到下方时，LED的电致发光EL谱线峰形及峰位都不变。图2. 钙钛矿LED在高于及低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱 研究方法 为解决LED最低驱动电压到底是多少的问题，他们采用一套能探测到微弱光子信号的高灵敏度光子探测系统，确定了钙钛矿LED的光致发光强度与电压之间的关系，得出EL 的最小驱动电压为低于半导体带隙 50% 的值，并表现出每个光子0.6-1.4eV的表观能量增益。 图3. 不同LED在近带隙和亚带隙电压下的光致发光强度-电压曲线 论文中提到的测试方法中，使用了海洋光学高灵敏度QE Pro光谱仪对LED的发光性能进行表征。图4. 用于测量在亚带隙电压下的 EL 光谱的实验装置示意图 研究背景 与钙钛矿太阳能电池类似，钙钛矿LED的不稳定性是一重大难题。近年来，钙钛矿LED在外量子效率（EQE）方面发展十分迅速，但其在连续工作条件下T50工作寿命（亮度降低到其初始值一半所需时间）一般在10到100小时量级，而实际应用需器件在高EQE、宽辐亮度范围下实现更长的工作寿命（高于10000小时）。和III-V族半导体及有机半导体相比，钙钛矿在器件工作过程中存在额外的降解通道。电场作用下的离子迁移和钙钛矿晶体结构的不稳定性，是影响钙钛矿器件稳定性的关键问题。解决这些问题，以同时实现长寿命与高效率，是领域的重大挑战。研究亮点 作者选取了在高性能太阳能电池与LED均有应用的FAPbI3钙钛矿作为基本研究对象，引入双极性分子SFB10，实现了高效和超稳定的近红外（~800 nm）钙钛矿LED。器件峰值外量子效率(EQE)为22.8%，峰值能量转化效率(ECE)为20.7%。这些钙钛矿LED展现了优异的稳定性，在5 mA/cm2下连续运行超过3600h（5个月）没有观察到辐亮度衰减。据加速老化测试获得，在初始辐亮度（或电流密度）分别为0.21 W/sr/m2 (0.7 mA/cm2)时，预期T50工作寿命为2.4×106h (约270年)。 图5. 钙钛矿LED器件结构和性能 上述数据表明，钙钛矿LED可在满足实际应用的光功率(辐亮度)下稳定工作。作为参考，基于Ir(ppy)3的高效率绿光OLED器件，在1000 cd/m2的高亮度下时对应的辐亮度为2.1 W/sr/m2, 在100 cd/m2的较低亮度下对应的辐亮度为0.21 W/sr/m2。表1：经SFB10稳定的钙钛矿LED寿命数据 为了探索器件高稳定性的原因，作者研究了双极性分子SFB10对钙钛矿薄膜稳定性的影响。结果表明，双极性分子SFB10提高了钙钛矿薄膜的热稳定性、相稳定性与荧光稳定性。经SFB10稳定剂处理的钙钛矿样品在空气中放置322 天，仍然维持了具有良好光电活性的α相FAPbI3钙钛矿，而对照组样品在14天内就发生了相变与降解。图6：钙钛矿样品结构稳定性和荧光稳定性 图7：SFB10与钙钛矿前驱体化学相互作用表 论文提到的测试方法中，使用海洋光学QE Pro光谱仪进行EQE的J-V曲线测量，使用Maya2000Pro记录角电致发光强度分布。QE Pro Maya2000 Pro 光谱仪 参考文献 1. Lian Y , Lan D , Xing S , et al. Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes[J]. 2021.2. Guo, B., Lai, R., Jiang, S. et al. Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes. Nat. Photon. (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01046-33. https://mp.weixin.qq.com/s/s_vFNym4bESl3wogh96n7Q 结语 超低驱动电压的研究为超低压LED器件的发展以及照明、显示及通信行业的发展做出贡献。超长的器件寿命有望提振钙钛矿LED领域的信心，这些近红外LED可用于近红外显示、通讯与生物等应用，为钙钛矿发光技术进入产业应用铺平了道路。

近日，郑州大学科研人员提出了一种全新的近红外发光二极管发光机理和器件设计理念，并在国际上首次制备出GaN/Si纳米异质结构近红外发光二极管，为近红外发光二极管的设计和制造提供了新的可能。　　红外技术在国防工业、地质探测、光纤通信等领域扮演着重要角色。近红外发光二极管由于体积小、功耗低、稳定性高、寿命长等优点，成为新一代近红外光源的主导技术。　　该项研究成果由郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室李新建研究组完成。该研究组长期从事硅基纳米半导体体系构建技术、性能研究和原型器件研制，在国内外相关领域产生了一定影响。　　相关成果已发表在国际期刊《先进材料》上。审稿专家认为，“此项研究为硅基氮化镓近红外发光二极管的设计和制造提供了一种崭新的途径”。